螺旋刀具切削土壤的三维有限元分析

螺旋刀具切削土壤的三维有限元分析

螺旋式车床在切割和研磨过程中完成了切割、改进和传输，具有结构简单、拆卸紧凑、能耗低等特点。这是开沟机技术的一个重要开发方向。螺旋刀具是开沟机的关键部件,研究螺旋刀具对土壤的破坏过程,对优化螺旋式开沟机的运动参数和结构参数,降低开沟能耗,具有重要的作用。传统的耕作机具与土壤相互作用的试验方法,不仅耗费大量人力、财力和时间,且易受客观条件的限制,使得试验结果的精度受到影响。通过计算机模拟,可以快捷地虚拟研究螺旋刀具与土壤的切削过程,更好地揭示螺旋刀具-土壤的工作机理和指导螺旋式开沟机的设计。因此,运用ANSYS/LS_DYNA(显式非线性动力分析有限元软件)对螺旋刀具切削土壤进行数值模拟具有重要的现实意义。目前针对螺旋刀具切削仿真的研究文献很少,主要困难在于螺旋结构为空间曲面三维结构,难以在有限元软件中建立模型,但根据切削机理,与之相仿的研究有刀具切削金属、耕耘机刀具切削土壤的模拟仿真等。国内的研究,有利用数学模拟方法探讨土壤的切削过程,包括传统分析方法、离散单元法(DEM)和有限单元法(FEM)。在离散单元法方面,吉林大学的张锐及中国农业大学的徐泳等分别介绍了目前地面力学研究领域中离散单元法在土壤机械特性动态仿真中的应用。在有限单元法方面,从2001年开始,国内学者使用有限元法研究土壤切削问题迅速增加,主要包括研究进展的综合论述以及方法的探讨等。从1977年开始,国外学者分别采用二维有限元和三维有限元法对宽、窄齿耕作部件进行土壤切削模拟,并采用有限元法研究深耕铲的土壤切削性能,有的还研究了动力影响时土壤切削的有限元分析方法。近年来用有限元方法研究土壤切削特征取得了较大的进展。有限元法已成为研究耕作部件对土壤高速切削问题的有效工具,但运用有限元法在螺旋刀具切屑土壤的研究还鲜有报道。笔者运用ANSYS/LS_DYNA进行螺旋刀具切削土壤的显示动力学分析,探讨了其切削过程,分析了切削功耗的大小及螺旋刀具力学特性,旨在揭示螺旋刀具-土壤的工作机理,为螺旋式开沟机的动力选型和结构参数的优化设计提供科学依据。1有限预算建模1.1维图的绘制螺旋刀具是螺旋式开沟机的关键部件,根据实际的工况要求,设计螺旋刀具由双头变螺距螺旋叶片和空心圆柱轴组成,其中变螺距螺旋叶片的表面为变螺距圆柱正螺旋面,变螺距圆柱正螺旋面的形成是以变螺距螺旋线T为导线,使母线与螺旋线轴线成90°沿导线运动形成。螺旋线的参数方程为⎧⎩⎨⎪⎪x=rcos2πky=rsin2πkz=e(2πr)2k2+(2πrtgα0)k{x=rcos2πky=rsin2πkz=e(2πr)2k2+(2πrtgα0)k式中e=h1−2πrk0tgα0(2πrk0)2e=h1-2πrk0tgα0(2πrk0)2tgαk=4eπrk+tgα0其中k为螺旋线上升圈数,α0为初始螺旋角,αk为螺旋线上升圈时的螺旋角,h1为螺旋上升k0圈时沿螺旋轴线上升的高度,r为圆柱半径。设螺旋叶片的厚度为n,空心圆柱轴内半径为r0。参考国内学者的研究,设计r=0.029m,r0=0.021m,α0=10°,k0=2圈,h1=0.3m,n=0.003m。根据实际的开沟要求确定螺旋叶片的外径为0.16m,螺旋叶片的高度为0.37m,空心圆柱轴的高度为0.45m。利用Pro/E绘制三维图(图1)。工作时,动力传输给空心圆柱轴,使其带动螺旋叶片做直线和旋转运动,切削土壤。1.2弹性材料的选择由于切削过程的复杂性,伴随着应力、应变的急剧变化,包括弹、塑性和断裂的变形,因此,为准确反映切削的过程,假设如下:Ⅰ.螺旋叶片和空心圆柱轴的材料为各向同性的线弹性材料;Ⅱ.如果让螺旋叶片同时做水平和旋转运动,则螺旋叶片做复杂的三维运动,在有限元中难以实现在弹性体上同时加载两种运动,因此将模型简化为螺旋刀具的旋转运动和土壤的水平运动;Ⅲ.根据土壤材料模型发展的现状和计算机运算的水平,在数值模拟中,只考虑对土壤切削的过程,不考虑开沟过程中土壤的升运过程。1.3维模型的建立螺旋刀具由螺旋叶片和空心圆柱轴组成,而螺旋叶片为空间复杂的三维实体,无法在ANSYS中直接建模,因此采用在Pro/E中由方程建立空间三维变螺距圆柱螺旋线,再利用混合扫描的方法建立变螺距螺旋叶片的三维模型,通过Pro/E与ANSYS的无缝连接,将三维实体模型导入ANSYS软件。将螺旋刀具的单元定义为LS-DYNAExplicit单元SHELL163,为减小沙漏能,采用全积分的壳单元算法(fullyintegratedshellelement)。考虑到应力、应变数据的采集,材料采用线性各向同性(linearisotropic),材料的弹性模量为0.21×1012Pa,密度为7.8×103kg/m3,泊松比为0.288。利用扫掠方法来划分有限元网格,划分单元数为3892个。1.4mohpa模型对土壤进行切削模拟,土壤本构关系的选择对模拟的准确性影响很大。本研究采用的材料为MAT147(MAT_FHWA_SOIL),材料采用修正的Mohr_Cloulomb屈服准则。此土壤材料对屈服面进行了修正,当剪切力很小时,屈服面是一个光滑的平面,并且垂直于压力轴,修正后的Mohr_Cloulomb屈服表面表达式为F=−psinφ+J2K(θ)2+Ahypsin2φ−−−−−−−−−−−−−−−−−√−ccosφ=0F=-psinφ+J2Κ(θ)2+Ahypsin2φ-ccosφ=0式中p为压力;φ为内摩擦角;J2为应力偏张量的第2不变量;K(θ)为张量平面角的函数;c为粘聚力;Ahyp为确定修正后的Mohr_Cloulomb屈服面和标准的Mohr_Cloulomb屈服面相似程度。当Ahyp=0时,上式表示的是标准Mohr_Cloulomb屈服面。该材料同时考虑了塑性硬化、塑性软化、应变速率效应和孔隙水压力效应,相对LS_DYNA提供的其他土壤模型,其仿真的结果更加准确。结合武汉地区的土壤特性(黄棕壤),在仿真中采用的土壤模型的参数:土壤中水分密度为1.0×103kg/m3,土壤含水率为3.4%,土壤密度为2.082×103kg/m3,土壤体积模量为0.35×108Pa,土壤剪切模量为0.2×108Pa,土壤内聚力为0.22×105Pa,内摩擦角为0.436rad,土粒相对密度为2.68,Ahyp为0.997×103,粘塑性参数为1.1,单元破坏的水平为0.99,第3不变量效应偏心参数Eccen为0.7。考虑到螺旋刀具对土壤的切削方式,建立土壤的模型为空心的半圆弧状,中心内半圆半径为0.161m,外半圆半径为0.6m,厚度为0.4m。土壤单元定义为LS-DYNAExplicit单元SOLID164,为减少沙漏能,采用全积分算法。考虑仿真的精度以及计算机的运算能力,对参与切削的土壤进行网格细化,其余土壤网格划分相对较粗。采用扫掠方法划分有限元网格,划分单元数为14282个。螺旋刀具切削土壤的有限元模型如图2所示。2结果与分析2.1添加边界条件利用LS_DYNA对模型进行仿真分析。在仿真分析中,螺旋刀具做旋转运动,土壤向螺旋叶片做直线运动,两者接触后,螺旋叶片不断的铣削土壤。笔者主要研究在一定的工况下螺旋刀体对土壤的切削过程及完成一个切削量的作业时,整个切削模型最大的功耗以及螺旋叶片的应力等的变化,为螺旋刀具的运动参数及结构参数的优化打下基础。在切削过程中,添加如下边界条件:Ⅰ.螺旋刀具添加绕z轴旋转的动力载荷,旋转速度为480r/min;Ⅱ.土壤添加0.0278m/s的直线位移初速度;Ⅲ.空心圆柱轴的上端面和螺旋叶片的内端面添加z向约束;Ⅳ.土壤外圆弧端面添加了除y向位移外的其它约束,考虑切削过程中,距离切削面较远的土壤不受到任何扰动;Ⅴ.添加螺旋叶片与土壤之间的接触为面面侵蚀接触选项(*ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)。设置求解时间为0.25s,在ANSYS前处理器中生成K文件,经修改材料、载荷等参数后,提交DYNA求解器进行求解。2.2模拟分析的结果1间线间的运动图3为土壤因切削力的作用而破坏的过程。因螺旋叶片半径为0.160m,土壤内圆弧初始半径为0.161m,故两者之间存在0.001m的间距。经过约0.03s的运动,螺旋叶片开始和土壤接触,土壤受力被破坏。之后随着螺旋叶片与土壤接触范围的增加,土壤被破坏的面积逐渐增加。土壤因受剪切和挤压而被破坏,被破坏土壤的边界线形状和螺旋叶片外端形状相似,因土壤的直线位移和螺旋叶片的旋转运动,使铣削不断向叶片之间尚未被铣削的土壤推进,实现了螺旋叶片对土壤的连续切削。2不同单元的土壤能量在切削过程中,总的能耗包括维持螺旋叶片的旋转和土壤模型的运动所需的动能和两者相互作用的内能,动能基本保持不变,总的能耗随着内能的不断增加而增大。由图4可知,刚开始切削时,总能耗的变化最强烈,随着切削的进行,能量的变化逐渐趋于平缓,这主要是因为土壤颗粒在初始被破坏后相互之间的结合力减小,而螺旋叶片还未接触到新的土壤层,总能量的变化放缓。将总的能耗对时间求导,得到切削功率如图5所示。当土壤单元失效后,螺旋刀具未能接触到新的土壤单元,因此会出现功率的波动。由图5可得最大的功率约为3.7kW,这与根据理论公式计算所得的4kW基本相符。3螺旋叶片与土壤接触单元s066-ss65由螺旋刀具在切削土壤过程中某一时刻等效应力的分布,可知Mises等效应力在螺旋叶片的内外端面较大,这主要是因为螺旋叶片的外端面与土壤之间的切削作用以及螺旋叶片内端面的曲率较大,成为应力集中区域。较大的Mises等效应力值集中于约1.5×108Pa,接近材料的屈服应力,因此在实际切削时可以考虑以螺旋叶片为基体,添加物理特性好的刀片在螺旋叶片端部,进行切削。图6为螺旋叶片端面两单元S966与S361的等效应力随时间变化的曲线,其中S966为螺旋与土壤接触的单元(A线),S361为螺旋叶片内部单元(B线),因S966为螺旋端面与土壤接触单元,故在同一时刻其等效应力较S361单元大。由曲线A的变化趋势和切削过程进行对比,可以得出该单元或其附近单元接触新的土壤单元时刻及应力的大小,曲线尖峰时刻即是该单元或其附近单元与新的土壤单元接触时刻。分析螺旋叶片单元的受力,为螺旋叶片参数的优化、刀片参数的选择打下基础。3基于ansys/lsdynas的螺旋刀具切削土壤仿真本试验结果表明:用所构建的螺旋刀具切削土壤的有限元模型应用于螺旋开沟机螺旋刀具与土壤之间相互作用研究是可行的;采用MAT147(MAT_FHWA_SOIL)的土壤模型,该模型采用修正的Mohr_Cloulomb屈服准则,可同时考虑了塑性硬化、塑性软化、应变速率效应和孔隙水压力效应,相对LS_DYNA提供的其他土壤模型,其仿真的结果更加准确,通过数值模拟标明其适合于土体切削的数